Questions to the experts

Oui, ce phénomène se produit avec tous les liquides, et aussi avec les autres corps transparents : la lumière se propage en ligne droite DANS UN MILIEU HOMOGENE, mais lorsqu'elle change de milieu, elle subit un changement de direction, une "cassure" : c'est le phénomène de réfraction. Le rayon lumineux est donc dévié au passage de l'eau dans l'air, et de n'importe quel milieu homogène dans n'importe quel autre. Cette cassure des rayons cause l'illusion d'une cassure de l'objet tel que l'oeil le perçoit. La grandeur de la déviation est mesurée par un indice caractéristique du milieu appelé "indice de réfraction". L'indice de réfraction de l'air est très voisin de 1, celui de l'eau vaut environ 1,33. Celui du verre est voisin de 1,50, la déviation au passage de l'air dans le verre est donc plus importante, et il y a aussi une petite déviation au passage de l'eau dans le verre.

Dans l'eau, la lumière va moins vite que dans l'air. Il en résulte qu'une onde plane qui passe de l'air dans l'eau subit une cassure si elle est oblique par rapport au plan d'eau. Le rayon lumineux, perpendiculaire à cette onde, subit la même cassure. Ce sont les lois de Descartes qui régissent ces phénomènes (sin (i) = n sin (r), où i et r sont les angles du rayon incident et réfracté et n est l'indice de réfraction du milieu) et une simple construction géométrique montre que l'objet vu dans le prolongement des rayons lumineux dans l'air paraît déplacé par rapport à sa position réelle si le rayon provient d'un point situé dans l'eau.

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Lorsqu'on observe un objet dans l'air (prenons une règle plate), on le voit parce que de la lumière est diffusée par tous les points de cet objet éclairé. Un cône de lumière venant de chaque point de l'objet, se propageant en ligne droite dans l'air et s'appuyant sur la pupille, est reçue par l'oeil (voir figure ci-dessous).

Pour la partie immergée, la lumière diffusée qui vient d'un point de la règle subit un brusque changement de direction, en s'écartant de la verticale à l'interface de l'air et de l'eau. C'est le phénomène de réfraction. De deux directions proches issues du même point de la règle, l'une s'écarte de la verticale un peu plus que l'autre (voir la loi), leur intersection est donc plus proche de la surface de l'eau. Ce point d'où semble venir la lumière pour l'il est "l'image" du point de la règle. La règle (objet) n'est pas cassée, mais nous voyons la partie dans l'air directement et, en prolongement, l'image de la partie dans l'eau à travers la surface de l'eau.